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Química

FUNDAMENTOS DE QUÍMICA

• Química es una ciencia • Química es un estudio sistemático • Química es el estudio de la composición y propiedades de la materia • Química es el estudio de la reactividad de sustancias • Química es el estudio de sustancias orgánicas e inorgánicas • Química es el estudio de las conexiones entre el mundo real y el mundo molecular

FISICA 1

Departamento de Química Inorgánica Juan M. Gutiérrez-Zorrilla

Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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¿Qué es la QUÍMICA?

Método Científico • El método normal para hacer ciencia Î Identificar

el problema una hipótesis las consecuencias observables de la hipótesis Î Realizar experimentos para comprobar la hipótesis Î Formular la regla general más simple que relaciona la hipótesis, predicciones y resultados experimentales

• Es la ciencia que estudia sistemáticamente la composición, propiedades y actividad de sustancias orgánicas e inorgánicas y varias formas elementales de materia.

Î Formular Î Predecir

• Serendipia En los campos de la observación el azar favorece sólo a la mente preparada (Pasteur) http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/intro/faq/what-is-chemistry.shtml

La definición más simple y entendible del método científico es la que lo determina como un conjunto de reglas que señalan el procedimiento de una investigación aplicando un método y partiendo de una base

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Leyes y teorías científicas

Método científico 1. La observación del fenómeno.

• Una hipótesis que se comprueba como cierta repetidas veces se convierte en ley.

Se observa y se describe el proceso objeto de estudio.

Î Ley:

Una afirmación concisa de una relación que siempre parece la misma bajo las mismas condiciones.

2. Formulación de hipótesis. Se establecen posibles causas que expliquen el fenómeno estudiado, que después habrá que confirmar experimentalmente.

• Una teoría es un principio que explica los hechos y las leyes basadas en ellos.

3. Diseño experimental.

Î Las

teorías no son hipótesis teorías se revisan continuamente a medida que se obtienen nuevos datos

Se monta un dispositivo experimental que pueda probar nuestras hipótesis. Si hay varias variables, se controlan todas salvo la que queremos estudiar.

4. Análisis de conclusiones.

resultados

Î Las

y

Los resultados obtenidos se suelen reflejar en tablas de datos y gráficas. Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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Leyes, teorías y modelos.

Realismo científico • Leyes científicas: son hipótesis que han sido confirmadas por múltiples experiencias. • Teorías: conjunto de varias leyes que forman otra ley de carácter más general. • Modelos: conceptos que nos permiten comprender una ley o una teoría de una forma simplificada.

• Reflexión de Antonio Diéguez (Realismo científico) Creer que la ciencia es la medida de lo que hay y de lo que no hay constituye una extensión injustificada y arrogante de sus logros en los ámbitos que caen bajo su dominio. Es ignorar consciente o inconscientemente la existencia de otros muchos ámbitos que le son ajenos, y reducir arbitrariamente lo real a aquello susceptible de tratamiento científico.

• La hipótesis predice qué puede ocurrir. • La teoría explica porqué y qué puede estar sucediendo. • La ley describe qué está sucediendo.

Diéguez A., "Cientifismo y modernidad. Una discusión sobre el lugar de la ciencia", El giro postmoderno, 1993, 81. Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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Realismo científico

Las disciplinas de la química • Tradicional

• Hay marcos conceptuales no científicos que presentan una

• Aplicada

imagen del mundo difícilmente solapable con el de la ciencia.

¾ Inorgánica

¾ Polímeros

¿Podría la ciencia alguna vez satisfacer con sus respuestas

¾ Orgánica

¾ Forense

lo que hemos preguntado y preguntaremos en las esferas de

¾ Física

¾ Agrícola

la moralidad y del arte? ¿Es siquiera deseable que lo intente?

¾ Analítica

¾ Medioambiental

La ciencia no es el único recurso del que el hombre dispone para saber cosas acerca del mundo, y en muchas instancias ni siquiera el apropiado. Diéguez A. Realismo científico. Servicio de Publicaciones e Intercambio Científico de la Universidad de Málaga, Málaga, 1998.

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El futuro de la química

La Ciencia Central

según los intereses de la sociedad y la investigación básica.

Impulso

Demanda

Geología

Química de materiales

Seguridad nacional Competencia económica

Ingeniería

Salud

Biología

Envejecimiento de la población Epidemias Contención del gasto Drogas

QUÍMICA

Medio ambiente

Química computacional

Energía Alternativas fósiles Electricidad

Matemáticas

a

los

Química biológica Reconocimiento molecular Evolución y autoensamblaje Bioenergética

Cambio global Tratamiento de residuos Toxicología

Física

Polímeros Superficies, interfases Materiales funcionales e inteligentes Materiales industriales Materiales industriales compatibles con el medio ambiente.

combustibles

Whitesides, “What will chemistry do in the next twenty years?”, Angew. Chem, 1990.

Aumento de la capacidad Nuevas arquitecturas, redes neuronales

Ciencia básica en los confines Exploración de los límites: muy pequeño, muy rápido, muy grande

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El futuro de la química en Europa Procesos relacionados con la vida Comprensión de la química de la vida Síntesis de nuevos fármacos Tecnología genética y biotecnología Dispositivos y nuevos materiales de aplicabilidad en medicina Química agrícola Dominio de los materiales moleculares Catálisis Materiales estructurales y funcionales Biónica y biomimética Superficies y tecnología de superficies Química supramolecular Energía y procesos Suministro de energía Futuras fuentes de energía Ingeniería de procesos químicos Analítica Intensificación e integración de procesos

Dentro de 25 años el motor de combustión interna será una pieza de museo, la tecnología de las pilas habrá resuelto finalmente el problema del transporte con energía eléctrica. Habremos resuelto el problema de una energía solar barata; lo suficientemente barata como para considerar una locura construir una planta de energía de cualquier otro tipo.

Cuidado de nuestro planeta Desarrollo sostenido Control del medio ambiente Limpieza y hogar Procesos industriales más limpios Reciclado y uso de materiales renovables Conservación del patrimonio cultural Química y sociedad Química: la ciencia a nivel molecular Química y educación Química e investigación Química y compatibilidad industrial AllCheme, la Comisión Europea y los programas estructurales

Richard E. Smalley (Rice University). Pienso que el coche eléctrico es el invento que la química puede hacer realidad. Los coches eléctricos restablecerán la belleza de las ciudades del mundo. Es verdaderamente importante, la investigación básica en nuevas baterías, nuevos catalizadores que darían un gran impulso a esa tecnología. Stephen J. Lippard (Massachusetts Institute of Technology). Con un cierto optimismo, concluye el editor Rudy M. Baum: De hecho, si ellos tienen razón, los próximos 25 años serán una época dorada para nuestra ciencia. Durante este periodo la química desvelará muchos de los secretos de la biología, creará materiales con propiedades casi mágicas y contribuirá a la producción de alimentos y energía capaz de sustentar a la población del mundo y sostener sus actividades económicas.

Química y futuro

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La investigación en catálisis es más bien un asunto de prueba y error. Cuando descubrimos un nuevo catalizador lo explotamos tanto como podemos. Pero no sabemos de donde vendrá el siguiente. La unión de la química combinatoria y los métodos de cálculo puede llevarnos a un punto donde se pueda disponer de una biblioteca de catalizadores designados para hacer determinadas cosas. Esto tiene una implicación tremenda porque nos va a permitir producir compuestos a la carta. Theodore Brown (University of Illinois). Antes de 25 años, las fibras de carbono o de nitruro de boro de perfección molecular y longitud variable, se llegarán a producir en millones de toneladas por año. Richard E. Smalley (Rice University). Los biomateriales avanzarán debido a la investigación básica que se está llevando a cabo ahora en dendrímeros, polímeros conductores de la electricidad, polímeros que pueden sufrir transiciones de fase y muchos otros. Estos tendrán aplicaciones en nuevos dispositivos para suministrar fármacos, y en la creación de nuevos tejidos tales como piel, cartílagos o incluso nervios. Robert S. Langer (Massachusetts Institute of Technology) Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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Estados de la materia Gas ¾ ¾ ¾

¾

¾

Gas ideal Gas real Fluido supercrítico Opalescencia crítica Plasma

Propiedades de la materia

Líquido ¾ ¾ ¾ ¾

• Química es el estudio de la materia.

Sólido

Superfluido Suspensión Cristal líquido Viscoelástico

¾ ¾ ¾ ¾ ¾

¾

Cristal Vidrio Elastómero Superplástico Condensado Bose-Einstein Refractario

• La materia se clasifica según sus propiedades. • Una propiedad física puede observarse sin cambiar la identidad de la sustancia - color, temperatura, densidad, etc. • Una propiedad química el cambio de una sustancia para formar otras sustancias - inflamabilidad, biodegradabilidad, etc.

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Propiedades de la materia Hay dos tipos de propiedades físicas: • Una propiedad extensiva depende de la cantidad de sustancia. • Una propiedad intensiva es independiente de la cantidad de sustancia. Masa, volumen, longitud… Color, densidad, P.F., P.E., conductividad... Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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Cambios físicos y químicos

Clasificación de la materia

• En un proceso físico, la identidad de las sustancia no cambia.

Toda la materia es una sustancia pura o una mezcla.

• En un proceso químico, una sustancia se transforma en otra(s) diferente(s).

• Una sustancia pura tiene una composición fija y diferentes propiedades.

• Un cambio de estado es un cambio físico.

• Una mezcla consta de dos o más sustancias puras que mantienen sus identidades químicas

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Cambios físicos y químicos

Sustancias puras

¿Los siguientes procesos son físicos o químicos?

Sustancias puras son elementos o compuestos

• El agua se calienta en un microondas.

• Un elemento no puede descomponerse en sustancias más simples por medios físicos o químicos.

• El agua se enfria en hielo. • Se forma herrumbre en un clavo. • Un gas es comprimido en una bomba.

• Un compuesto está formado de dos o más elementos siempre en la misma proporción.

• Un trozo de carbon arde. • Sal de mesa se disuelve en agua.

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Elementos

Mezclas

Se han decubierto 115 elementos. Sus nombres y símbolos aparecen en la Tabla Periódica.

Una mezcla tiene una composición variable. • Si las propiedades de una mezcla no son uniformes por toda ella, la mezcla es heterogénea. • Si las propiedades son uniformes, la mezcla es homogéna o disolución.

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Compuestos

Mezclas

Los compuestos pueden descomponerse en sus elementos sólo por medios químicos.

• Las sustancias puras de una mezcla pueden separarse por medios físicos. Separación de sal a partir del agua de mar:

Electrolisis del H2O

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Una vista al microscopio

Materia NO

• Las sustancias puras se componen de moléculas con un número fijo de átomos unidos entre sí. • Las mezclas constan de un número variable de átomos o moléculas.

¿Es uniforme?

SI Homogénea

Heterogénea NO Sustancia ¿Puede descomponerse en sustancias más simples por métodos químicos?

¿Puede separarse Por métod físicos?

SI Disolución: mezcla homegénea SI

NO

Mezcla

Elemento

Compuesto

2 o más tipos de sustancias

Un tipo de átomo: C, Au, Na, Ag,

2 o más tipos de átomos: H2O, NaCl

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¿Elemento, compuesto o mezcla?

• Una medida compara alguna propiedad con un estándar para esa propiedad.

• Agua de mar

disolución

• Acero

disolución

• Cobre

elemento

• Mármol

mezcla no homogénea

• Óxido de hierro

Medición y Unidades

• La cantidad medida debe ¾ Indicar

la unidad de la medida.

¾ Representar

compuesto

• Diamante

elemento

• Leche

mezcla no homogénea

la precisión de la medida.

http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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Sistema Internacional (SI) Unidades

Propiedad

Unidad

Longitud

metro

Abreviatura

Masa

kilogramo

kg

tiempo

segundo

s

m

Temperatura

kelvin

K

cantidad

mol

mol

corriente

amperio

A

luminosidad

candela

cd Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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SI prefijos Factor 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101

Name yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deka

Temperatura Symbol Y Z E P T G M k h da

Factor 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24

Name deci centi milli micro nano pico femto atto zepto yocto

La escala Kelvin esta relacionada con la escala Celsius por: T(K) = T(°C) + 273.15

Symbol d c m µ n p f a z y

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Cifras Significativas

Incertidumbre en la medida Hay dos tipos de incertidumbre asociadas con una medida:

• Las cifras significativas son los dígitos de un número que son conocidos con certeza más un dígito estimado. • Suponga una incertidumbre de ±1 en el último dígito medido. • Cuanto mayor es el número de cifras significativas, menor es la incertidumbre relativa. • Ejemplo: masa de un penique:

Buena precisión Buena exactitud

• Exactitud: Concordancia del valor medido con el valor real.

Buena precisión Mala exactitud

• Precisión: Concordancia entre repetidas medidas.

Mala precisión Mala exactitud

Balanza Fisher S400 Ohaus GT210 Mettler 100

Masa 3.12 g 3.117 g 3.1169 g

Incertidumbre 0.32% 0.032% 0.0032%

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Ejemplo

Cálculo del nº de cifras significativas

Masa medida de un objeto cuya masa real es 2.65 g. Medida 1 2 3 4 promedio error spread

• Regla de las Flechas (1)

Metodo 1 Metodo 2 2.64 2.94 2.67 2.61 2.65 2.44 2.67 2.76 2.66 2.69 0.01 0.03

1. Valor sin decimales: Trace una flecha de derecha a izquierda a través del número. La flecha puede atravesar ceros pero debe parar en el primer dígito que no sea cero. Los digitos no atravesados por la flecha son todos cifras significativas. Ejemplos:

0.04 0.50

1002300: 1002300 : 1024: 1024

5 cif. sig.

: 4 cif. sig. Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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Cálculo del nº de cifras significativas

Números exactos

• Regla de las Flechas (2)

Algunos números son valores definidos, no son medidos, y por lo tanto no tienen incertidumbre.

2. Valor con decimales: Trace una flecha de izquierda a derecha a través del número. De nuevo, la flecha puede atravesar ceros pero debe parar en el primer dígito que no sea cero. Los digitos no atravesados por la flecha son todos cifras significativas.

• Números contables - 12 (una docena) • Números definidos –

Ejemplos: 0.00987: 0.00987 : 3 cif. sig. 23.700:

¾

1 ft = 12 in

¾

1 L = 103 mL

¾

1 in = 2.54 cm

• Números hipotéticos -

23.700: 5 cif. sig. Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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Incertidumbre en los cálculos • Multiplicación y División El resultado tiene el mismo número de cifras significativas que el número con menor número de cifras significativas. 3.141 × 6.7×104 = 2.1×105 9.1300 ÷ 31 = 0.29

• Adición y Sustracción El resultado tiene el mismo número de plazas decimales que el número con menor número de plazas decimales. 27.5 + 273.15 = 300.6 71.2238 - 38.24 = 32.98 Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica, 2005

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